ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8865
Скачиваний: 20
106
21.
Выведите формулу, описывающую статическую вольт-
амперную характеристику диода.
22.
Объясните физическую природу теплового (масштабно-
го, насыщения) тока.
23.
Что такое характеристические сопротивления диода и чему
они равны?
24.
Почему при реальном использовании диодов, как прави-
ло задают прямой ток, а не прямое напряжение?
25.
Запишите выражение, определяющее температурную за-
висимость теплового тока?
26.
Объясните, почему с повышением температуры тепло-
вой ток увеличивается, используя только физические основы по-
лупроводников.
27.
В чем причина тока термогенерации и его зависимость
от температуры?
28.
Причина возникновения токов утечки в переходе.
29.
Зависит ли статическая вольт-амперная характеристика
диода от температуры при прямом смещении на диоде?
30.
Нарисуйте эквивалентную схему диода при прямом
смещении.
31.
Объясните природу барьерной емкости и её зависимость
от величины приложенного напряжения.
32.
Физическая природа появления диффузионной ёмкости
и её зависимость от величины тока, протекающего через переход.
33.
Переходные процессы в диоде при резких изменениях
входных напряжений.
107
3
РАЗНОВИДНОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ
Теория и свойства плоскостных полупроводниковых дио-
дов, изложенные в предыдущей главе, лежат в основе всех других
типов диодов, количество которых в настоящее время довольно
велико. Специфика каждого из этих специальных диодов требует
особого анализа, но мы ограничимся оценкой их качественных
и количественных характеристик в той мере, в какой это полезно
при разработке схем.
3.1
Точечные
диоды
Точечные диоды (рис. 3.1) появились намного раньше плос-
костных диодов. Однако процессы, происходящие в них, сложнее
и до сих пор еще полностью не изучены. Эффект выпрямления на
границе между металлической иглой и пластинкой полупровод-
ника имеет место даже при простом их соприкосновении. Однако
в настоящее время точечный контакт получают, как правило, пу-
тем так называемой формовки. Процесс формовки заключается
в пропускании через собранный точечный диод сравнительно
мощных, но коротких импульсов тока в прямом или обратном
направлении. Количество, величина и длительность формующих
импульсов выбираются на основании опытных данных.
Ge
Игла
n-Ge
p-Ge
Игла
а
б
Рис. 3.1 — Конструкция точечного диода (а)
и структура его перехода (б)
Общей целью формовки является сильный местный нагрев
контакта, при котором происходит своеобразное сплавление
кончика иглы с полупроводником. Сплавление обеспечивает
108
стабильность и механическую прочность контакта, что и было
первоначальной целью формовки. Однако, как выяснилось позд-
нее, при сплавлении происходит также изменение типа проводи-
мости в тонком слое полупроводника, прилегающем к игле. Это
превращение объясняется диффузией примесей из иглы в полу-
проводник при сильном разогреве и частичном расплавлении
обоих элементов в месте контакта.
Например, в случае когда исходная пластинка германия
имеет электронную проводимость, а материалом иглы является
бериллиевая бронза, может происходить диффузия бериллия
в германий. Бериллий, будучи акцептором, по отношению к гер-
манию, обусловливает наличие тонкого р-слоя в германии вблизи
иглы (рис. 3.1). Как видим, в данном случае получается р-n пере-
ход, правда, своеобразной (не плоской) конфигурации и малой
площади. Обычно при анализе форму перехода в точечном диоде
принято считать полусферической, что, несомненно, близко
к действительности. Не проводя самого анализа, отметим лишь
характерные особенности точечных переходов и диодов. Очевид-
но, что малая площадь перехода обусловливает не только малую
емкость перехода, но и малую допустимую мощность. Величина
допустимых прямых токов у точечных диодов значительно
меньше, чем у плоскостных, а эффективное сопротивление базы
больше из-за малой площади эмиттера. Сопротивления базы
у точечных диодов составляют десятки и сотни Ом, а прямые то-
ки обычно не больше 10—20 мА. Существенное превышение до-
пустимого тока (даже в течение короткого интервала времени)
приводит у точечных диодов к «переформовке» контакта и ухуд-
шению или утрате выпрямляющих свойств. Для прямой ветви
вольт-амперной характеристики точечного диода выражение
(2.23) недействительно, так как даже при очень небольших токах
уровень инжекции оказывается весьма высоким из-за малой пло-
щади перехода. При больших токах уровень инжекции получает-
ся настолько высоким, что экспоненциальная характеристика вы-
рождается и приближается к параболической. Особенно сильно
различаются статические характеристики точечных и плоскост-
ных диодов в области обратных токов (рис. 3.2). Поскольку пло-
щадь перехода мала, мал и тепловой ток
0
I . Однако участок
109
насыщения небольшой и обычно плохо заметен, так как уже при
сравнительно небольших напряжениях (несколько вольт) обрат-
ный ток существенно возрастает за счет утечек, а также за счет
заметного повышения температуры перехода, теплоотвод затруд-
нен из-за малой площади контакта, и большого теплового сопро-
тивления.
r
б
=0
r
б
<0
U
-20
-40
-60
2
0
U
ПРОБ.
I, mA
4
Рис. 3.2 — Статическая характеристика
точечного диода
Важной особенностью обратной характеристики является
участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением,
который обусловлен тепловым пробоем.
Несмотря на принципиальную ценность указанного участка,
его практическое использование нецелесообразно вследствие
большого разброса величины отрицательного сопротивления
и координат начала и конца участка, плохой стабильности во
времени и малого срока службы диода в таком перенапряженном
режиме. Переходные процессы протекают в точечных диодах ка-
чественно так же, как и в плоскостных. Количественные различия
связаны с меньшей площадью перехода и временем жизни. Время
жизни у точечных диодов меньше, чем у плоскостных, так как
роль поверхностной рекомбинации возрастает с уменьшением
площади перехода. Точечные диоды широко используются в вы-
сокочастотных схемах и импульсной технике. Обширный и свое-
образный класс точечных полупроводниковых диодов составля-
ют германиевые и кремниевые детекторные диоды, применяю-
щиеся главным образом в технике СВЧ, что обусловлено очень
малым временем жизни носителей, а вместе с малой площадью
контакта обеспечиваются хорошие частотные свойства, необхо-
димые для работы в области СВЧ.
110
-1,5 -1,0 -0,5
0
-5
0,5 1,0 1,5
20
15
10
I, мА
U, В
Рис. 3.3 — Статическая характеристика детекторного
диода
Для таких диодов, помимо рабочей частоты, важными пара-
метрами являются такие, как коэффициент шума, коэффициент
преобразования и др. Эти параметры могут быть достаточно хо-
рошими, несмотря на «плохую» (с точки зрения «обычных» дио-
дов и электронных схем) вольт-амперную характеристику. Кон-
струкция детекторных диодов обычно приспособлена к сочлене-
нию с элементами волноводов, измерительных головок и других
деталей систем СВЧ (рис. 3.4). Применение такой конструкции
позволяет существенно уменьшить паразитные емкости диодов
и тем самым увеличить их быстродействие.
1-й электрод
Кристалл
изолятор
2-й электрод
игла
Рис. 3.4 — Конструктивные варианты
детекторных диодов